CN103497978A

CN103497978A - 一种高光学纯l-肉碱的制备方法

Info

Publication number: CN103497978A
Application number: CN201310404629.8A
Authority: CN
Inventors: 孙建华; 张亚; 徐斌
Original assignee: BANGBU FENGYUAN MEDICINE SCI-TECH DEVELOPMENT Co Ltd
Current assignee: BANGBU FENGYUAN MEDICINE SCI-TECH DEVELOPMENT Co Ltd
Priority date: 2013-09-06
Filing date: 2013-09-06
Publication date: 2014-01-08
Anticipated expiration: 2033-09-06
Also published as: CN103497978B

Abstract

本发明提供了一种高光学纯左旋肉碱的制备方法，包括步骤1）：以4-氯乙酰乙酸乙酯为原料，经硼氢化还原反应得到4-氯-3-羟基丁酸乙酯；步骤2）：以步骤1）得到的4-氯-3-羟基丁酸乙酯为反应起始物，在固定化脂肪酶的催化作用下，与酰基供体进行不对称酯化反应得到(R)-4-氯-3-羟基丁酸乙酯酯化物及(S)-4-氯-3-羟基丁酸乙酯；步骤3）：以步骤2）得到的(R)-4-氯-3-羟基丁酸乙酯酯化物为反应起始物，与三甲胺缩合后，再进行水解反应，得到L-肉碱。本发明提供的制备方法，反应原料易得，产品收率高，光学纯度高，副产物可被回收利用，适于工业化生产。

Description

一种高光学纯L-肉碱的制备方法

技术领域

本发明涉及化工合成技术领域，具体地说，涉及一种化合物L-肉碱，L-carnitine的制备方法。

背景技术

L-肉碱即L-3-羟基-4-三甲铵基丁酸，又称维生素BT，结构式为：

分子式：C₇H₁₅NO₃

分子量：161.20

L-肉碱是存在于生物体内的一种天然手性化合物，被认为是“类维生素”的营养素，能参与人体的许多代谢过程，是体内脂肪氧化代谢的必须物质.其最突出的生理功能是作为脂肪酸运输的载体。L-肉碱的应用非常广泛，可作为治疗慢性肾功能衰竭、心肌病、冠心病、有机酸血症等疾病的临床药物，还可作为功能性食品添加剂用于婴儿奶粉和运动员饮料及作为饲料添加剂加到动物饲料和饵料中以促进动物的生长，因此，L-肉碱原料在国内外的市场很大。

目前，制备L-肉碱的方法包括化学合成法和生物-化学相结合的方法。最常用的合成方法是以环氧氯丙烷为原料，如CN101838212A，但这种方法需要使用剧毒化学品氰化钠，并且往往得到的是D，L-肉碱，需要进行手性拆分；其次是用天然手性化合物为原料，通过多步合成得到L-肉碱，如US4413142以D-甘露醇为原料，Tetreheronletters，1990，31，7323-7326以D-酒石酸为原料，这些方法虽然不需手性拆分，但步骤多，操作复杂，收率较低。目前，研究最多的是生物-化学法，主要是利用生物发酵的方法对4-氯乙酰乙酸乙酯进行不对称还原得到(R)-4-氯-3-羟基丁酸乙酯，然后进行N烷基化反应和水解反应得到L-肉碱，如US4221869，US6337197B2等，但该方法得到的中间体光学纯度不高，尚需对酵母菌进行改良，后处理也比较复杂。

中国申请102633664A公开了一种左旋肉碱的制备方法，具体用钌的双膦络合物为催化剂对原料4-卤乙酰乙酸烷基酯进行不对称催化氢化反应制得左旋肉碱中间体(R)-(-)-4-卤-3羟基丁酸烷基酯，然后在无溶剂条件下与三甲胺发生胺化反应，再进行水解生成左旋肉碱，具体的制备方法包括如下步骤：1)、钌的双膦络合物催化剂的制备：将手性配体S-BINAP和钌化合物[Ru(p-cymene)Cl₂]₂在N₂气氛下加入到混合有机溶剂中，升温至50-60℃，搅拌反应10-20h，减压除溶剂后，制得氯代[(S)-(-)-2，2′-双(二苯基膦)-1，1′-联萘](p-伞花素)氯化钌(II)催化剂；2)、不对称催化还原反应：在H₂气氛下将制得的催化剂溶解于低级烷基酯类溶剂中，在密闭的高压容器中与4-卤乙酰乙酸烷基酯进行不对称催化还原反应，得到左旋肉碱中间体(R)-(-)-4-卤-3羟基丁酸烷基酯粗品，反应完毕后将产物经减压蒸馏除去低级烷基酯类溶剂即得高纯度中间体(R)-(-)-4-卤-3羟基丁酸烷基酯；3)、胺化反应：得到高纯度的中间体(R)-(-)-4-卤-3羟基丁酸烷基酯与三甲胺混合，搅拌，并在温度为0-80℃下反应5-24小时，反应完毕后减压蒸馏除去未反应的三甲胺；4)水解反应：将胺化后的产物加入盐酸，在100℃下搅拌反应5-10h，冷至室温，加入CH₂Cl₂，分离，旋干，得到左旋肉碱粗品。5)、精制：粗品经阴离子交换树脂吸附和氨解附，后用乙醇/丙酮重结晶，得到无色针状左旋肉碱晶体，于60-80℃温度下真空干燥1-2小时即得左旋肉碱产品。该工艺需要制备钌金属配体，操作繁琐，增加了工艺成本，所得到的(R)-(-)-4-卤-3羟基丁酸烷基酯中间体的ee值仅达到96%，仍无法得到高光学纯的左旋肉碱产品。与该技术方案相比，本发明所提出的解决方案引入了生物催化的拆分的方法，不仅反应条件温和，而且可以达到99%以上。

发明内容

本发明的目的是提供一种制备高光学纯L-肉碱的新全合成方法，其是以廉价的4-氯乙酰乙酸乙酯为原料，经过硼氢化还原、酶催化的不对称酯化、烷基化和水解反应，最终得到高光学纯的L-肉碱。

具体是通过将酶催化的不对称烷基化和化学合成相结合，得到一种操作简单，反应条件温和，产品光学纯度高，可被工业化放大生产L-肉碱的新生产工艺，工艺路线如Scheme1所示。

前述方法，包括：

步骤1）：以4-氯乙酰乙酸乙酯为原料，经硼氢化还原反应得到4-氯-3-羟基丁酸乙酯；

步骤2）：以步骤1）得到的4-氯-3-羟基丁酸乙酯为反应起始物，在固定化脂肪酶的催化作用下，与酰基供体进行不对称酯化反应得到(R)-4-氯-3-羟基丁酸乙酯酯化物及(S)-4-氯-3-羟基丁酸乙酯；

步骤3）：以步骤2）得到的(R)-4-氯-3-羟基丁酸乙酯酯化物为反应起始物，与三甲胺缩合后，再进行水解反应，得到L-肉碱。

其中，步骤1）中硼氢化还原反应的硼氢化试剂为硼氢化钠、硼氢化钾、三乙酰氧基硼氢化钠或氰基硼氢化钠。硼氢化还原反应的还原反溶剂为四氢呋喃、甲醇或乙醇。4-氯乙酰乙酸乙酯与硼氢化试剂的摩尔比为1:1～1:4，还原反应温度为0℃～70℃，还原反应时间为1～5h。

步骤2）不对称酯化反应中，所述的固定化脂肪酶的商品名为Novozym435。不对称酯化反应的溶剂为正己烷、正庚烷、石油醚、异丙醚、甲基叔丁基醚或乙醚。所述的酰基供体为硬脂酸、乙酸乙烯酯或甲氧基乙酸甲酯。4-氯-3-羟基丁酸乙酯与固定化酯酶的质量比为1:2～4:1，与酰基供体的摩尔比为1:5～2:1。不对称酯化反应的反应温度为0℃～40℃；反应时间为5h～48h。

步骤3）中(R)-4-氯-3-羟基丁酸乙酯酯化物与三甲胺缩合的烷基化反应温度为50℃～100℃，反应时间为2～8h；三甲胺与(R)-4-氯-3-羟基丁酸乙酯酯化物的摩尔比为1:1～5:1；所述的水解反应的反应反应时间为2～10h。

更具体地说，本发明所述的一种高光学纯L-肉碱的制备方法，其包括以下步骤：

1）以4-氯乙酰乙酸乙酯1为原料，进行硼氢化还原，得到4-氯-3-羟基丁酸乙酯2。如Scheme2所示。

前述的方法，步骤1）中所述的硼氢化反应试剂为硼氢化钠、硼氢化钾、三乙酰氧基硼氢化钠或氰基硼氢化钠中得一种，优选硼氢化钾。

前述的方法，步骤1）中所述的还原反应在溶剂中进行，所述溶剂为四氢呋喃、甲醇或乙醇中的一种或多种，优选四氢呋喃。上述溶剂原料易得，能够同时溶解反应原料和产物，促进还原反应，反应收率可达到90%左右。

前述的方法，步骤1）中所述的还原反应中，4-氯乙酰乙酸乙酯与硼氢化试剂的摩尔比为1:1～1:4，优选1:1.2。该摩尔比用量下，4-氯乙酰乙酸乙酯能够被完全还原为4-氯-3-羟基丁酸乙酯。

前述的方法，步骤1）中所述的还原反应温度为0℃～70℃，优选20-40℃。

2）以步骤1）得到的4-氯-3-羟基丁酸乙酯为反应起始物，在固定化脂肪酶的催化作用下，与酰基供体进行不对称酰基化反应，得到Scheme3中的化合物3和(S)-4-氯-3-羟基丁酸乙酯4。

前述的方法，步骤2）中所述的固定化脂肪酶的为Novozym435，是一种已知固定化脂肪酶，具体是将南极假丝酵母脂肪酶B吸附于大孔吸附树脂上制得的固定化酶。此类酶能够在温和条件下，催化本发明所述的羟基的酯化反应，并且在有机溶媒中能保持稳定，可以被多次重复利用。

前述的方法，步骤2）中所述的不对称酯化反应在溶剂中进行，所述溶剂为正己烷、正庚烷、石油醚、异丙醚、甲基叔丁基醚或乙醚，优选异丙醚或甲基叔丁基醚。

前述的方法，步骤2）中所述的酰基供体为硬脂酸、乙酸乙烯酯或甲氧基乙酸甲酯，优选甲氧基乙酸甲酯。

前述的方法，步骤2）中所述的不对称酯化反应中，4-氯-3-羟基丁酸乙酯与固定化脂肪酶的质量比为1:2～4:1，优选2:1；与酰基供体的摩尔比为1:5～2:1，优选1:0.8。

前述的方法，步骤2）中所述的不对称酯化反应温度为0℃～40℃，优选10-20℃；反应时间为5h～48h，优选8-12h。

3)以步骤2）得到的化合物3为原料，与三甲胺进行烷基化反应，再进行水解，得到L-肉碱。如Scheme4所示。

前述的方法，步骤3）所述的烷基化反应在乙醇与水的混合物中进行，反应温度为50℃～100℃，优选为70～90℃，更优选为80℃。反应时间为2～8h，优选5h。

前述的方法，步骤3）中所述的三甲胺与化合物3的摩尔比为1:1～5:1，优选1:3。

前述的方法，步骤3）中所述的水解反应在水中进行，水解温度50℃～100℃，优选为70～90℃，更优选为80℃，反应时间为2～10h，优选为4～6h。

本发明利用廉价原料4-氯乙酰乙酸乙酯为原料，通过还原反应，不对称酯化反应、N烷基化反应和水解反应，最终得到高光学纯度的L-肉碱，ee值可以达到99%以上。制备过程中所使用的催化剂均容易购买，无毒，副产物(S)-4-氯-3-羟基丁酸乙酯可被用于制备他汀类原料药的中间体，可被综合利用，“三废”排放少，成本低，适于大规模工业化生产。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。如不对称酯化反应的溶剂可以为正己烷、正庚烷、石油醚、异丙醚、甲基叔丁基醚或乙醚任一种，实施例虽然未一一例举，但本领域技术人员可以预见上述替换方式同样可以应用并实现本发明。

以下实施例中所用化学试剂均为市售商品。

实施例14-氯-羟基丁酸乙酯的制备

40℃下，将45g（1.19mol）硼氢化钠分散到500ml干燥过的四氢呋喃中，搅拌1h。将165g（1mol）4-氯-乙酰乙酸乙酯溶于100ml四氢呋喃中，滴加到上述硼氢化钠分散液中，约1h滴完，滴加完毕后，再保温搅拌1h。冷却至室温，加入5%盐酸溶液200ml，减压蒸馏四氢呋喃。残余液用乙酸乙酯萃取三次，每次用300ml，合并有机层，用饱和氯化铵溶液洗涤至中性。加入无水硫酸镁干燥，去除干燥剂后，减压蒸馏乙酸乙酯，得到油状液体4-氯-羟基丁酸乙酯150g，含量98%（GC），收率90%。

实施例2(R)-4-氯-羟基丁酸乙酯酯化物的制备

将实施例1所制备的16.7g(100mmol)4-氯-羟基丁酸乙酯和8.3g(80mmol)甲氧基乙酸甲酯溶解于400ml甲基叔丁基醚中，再加入7.0g Novozym435，室温下，振摇反应7h。反应后滤除固定化酶，滤液蒸干，得到油状残余物。残余物过硅胶柱，用乙酸乙酯洗脱，先收集到(R)-4-氯-羟基丁酸乙酯酯化物的乙酸乙酯溶液，再收集到(S)-4-氯-羟基丁酸乙酯的乙酸乙酯溶液，分别减压蒸干，得到(R)-4-氯-羟基丁酸乙酯酯化物11.8g，含量99%，收率48.7%，(S)-4-氯-羟基丁酸乙酯8.1g，含量99.3%，收率48%。

实施例3L-肉碱的制备

将11.8g(49mmol)实施例2得到的酯化物和35g（154mmol）的三甲胺水溶液（26％）及35mL乙醇加入反应瓶，将反应混合物在80℃左右密闭搅拌反应5h，冷却至室温.减压蒸去乙醇及未反应的三甲胺。向残余物中加入50ml10％的盐酸，回流反应4h，减压蒸去水50ml，向得到的残留物中加入55mL异丙醇重结晶，过滤，得白色固体。将白色固体溶于水，用732型阳离子交换树脂脱盐，得到L-肉碱约6.5g，含量99%（HPLC），收率82.4%，ee值为99.3%，[α]² _D=-30（c=1，H₂O）。

实施例44-氯-羟基丁酸乙酯的制备

0℃下，将64g（1.19mol）硼氢化钾分散到500ml干燥过的无水乙醇中，搅拌1h。将165g（1mol）4-氯-乙酰乙酸乙酯溶于100ml无水乙醇中，滴加到上述硼氢化钾分散液中，约1h滴完，滴加完毕后，再保温搅拌3h。冷却至室温，加入5%盐酸溶液200ml，减压蒸馏乙醇。残余液用乙酸乙酯萃取三次，每次用300ml，合并有机层，用饱和氯化铵溶液洗涤至中性。加入无水硫酸镁干燥，去除干燥剂后，减压蒸馏乙酸乙酯，得到油状液体4-氯-羟基丁酸乙酯153g，含量98%（GC），收率91.8%。

实施例5(R)-4-氯-羟基丁酸乙酯酯化物的制备

将实施例4所得16.7g(100mmol)4-氯-羟基丁酸乙酯和6.9g(80mmol)乙酸乙烯酯溶解于400ml异丙醚中，再加入7.0g Novozym435，室温下，振摇反应5h。反应后滤除固定化酶，滤液蒸干，得到油状残余物。残余物过硅胶柱，用乙酸乙酯洗脱，先收集到(R)-4-氯-羟基丁酸乙酯酯化物的乙酸乙酯溶液，再收集到(S)-4-氯-羟基丁酸乙酯的乙酸乙酯溶液，分别减压蒸干，得到(R)-4-氯-羟基丁酸乙酯酯化物10.2g，含量99%，收率48.1%，(S)-4-氯-羟基丁酸乙酯8.0g，含量99%，收率47.4%。

此外，本实施例也可采用实施例1所制备得到的4-氯-羟基丁酸乙酯来制备(R)-4-氯-羟基丁酸乙酯酯化物。

实施例6L-肉碱的制备

将10.2g(48mmol)实施例5得到的酯化物和40g（176mmol）的三甲胺水溶液（26％）及50mL乙醇加入反应瓶，将反应混合物在50℃左右密闭搅拌反应5h，冷却至室温.减压蒸去乙醇及未反应的三甲胺。向残余物中加入60ml10％的盐酸，回流反应6h，减压蒸去水60ml，向得到的残留物中加入70mL异丙醇重结晶，过滤，得白色固体。将白色固体溶于水，用732型阳离子交换树脂脱盐，得到L-肉碱约6.9g，含量99%（HPLC），收率87.5%，ee值为99.1%，[α]² _D=-30（c=1，H₂O）。

此外，本实施例也可采用实施例3所制备得到的酯化物来制备L-肉碱。

实施例74-氯-羟基丁酸乙酯的制备

70℃下，将848g(4mol)三乙酰氧基硼氢化钠分散到500ml干燥过的甲醇中，搅拌1h。将165g(1mol)4-氯-乙酰乙酸乙酯溶于100ml甲醇中，滴加到上述三乙酰基硼氢化钠分散液中，约1h滴完，滴加完毕后，再保温搅拌5h。冷却至室温，加入5%盐酸溶液200ml，减压蒸馏乙醇。残余液用乙酸乙酯萃取三次，每次用300ml，合并有机层，用饱和氯化铵溶液洗涤至中性。加入无水硫酸镁干燥，去除干燥剂后，减压蒸馏乙酸乙酯，得到油状液体4-氯-羟基丁酸乙酯159g，含量98%（GC），收率95.3%。

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实施例8(R)-4-氯-羟基丁酸乙酯酯化物的制备

将实施例7所得16.7g(100mmol)4-氯-羟基丁酸乙酯和4.31g(50mmol)甲氧基乙酸甲酯溶解于400ml正己烷中，再加入8.35g Novozym435，室温下，振摇反应48h。反应后滤除固定化酶，滤液蒸干，得到油状残余物。残余物过硅胶柱，用乙酸乙酯洗脱，先收集到(R)-4-氯-羟基丁酸乙酯酯化物的乙酸乙酯溶液，再收集到(S)-4-氯-羟基丁酸乙酯的乙酸乙酯溶液，分别减压蒸干，得到(R)-4-氯-羟基丁酸乙酯酯化物11g，含量99%，收率45.4%，(S)-4-氯-羟基丁酸乙酯8.2g，含量99%，收率48.6%。

此外，本实施例也可采用实施例1、4所制备得到的4-氯-羟基丁酸乙酯来制备(R)-4-氯-羟基丁酸乙酯酯化物。

实施例9L-肉碱的制备

将10.2g(48mmol)实施例5得到的酯化物和40g（176mmol）的三甲胺水溶液（26％）及50mL乙醇加入反应瓶，将反应混合物在90或100℃左右密闭搅拌反应5h，冷却至室温.减压蒸去乙醇及未反应的三甲胺。向残余物中加入60ml10％的盐酸，回流反应6h，减压蒸去水60ml，向得到的残留物中加入70mL异丙醇重结晶，过滤，得白色固体。将白色固体溶于水，用732型阳离子交换树脂脱盐，得到L-肉碱约6.8g，含量99%（HPLC），收率86.2%，ee值为99%，[α]² _D=-30（c=1，H₂O）。

此外，本实施例也可采用实施例3或6所制备得到的酯化物来制备L-肉碱。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims

1.一种高光学纯左旋肉碱的制备方法，其特征在于，如Scheme1所示，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1）中硼氢化还原反应的硼氢化试剂为硼氢化钠、硼氢化钾、三乙酰氧基硼氢化钠或氰基硼氢化钠。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤1）中硼氢化还原反应的还原反溶剂为四氢呋喃、甲醇或乙醇。

4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，步骤1）硼氢化还原反应中，4-氯乙酰乙酸乙酯与硼氢化试剂的摩尔比为1:1～1:4，还原反应温度为0℃～70℃，还原反应时间为1～5h。

5.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，步骤2）不对称酯化反应中，所述的固定化脂肪酶为Novozym435。

6.根据权利要求1-5任一项所述的方法，其特征在于，步骤2）中不对称酯化反应的溶剂为正己烷、正庚烷、石油醚、异丙醚、甲基叔丁基醚或乙醚。

7.根据权利要求1-6任一项所述的方法，其特征在于，步骤2）中所述的酰基供体为硬脂酸、乙酸乙烯酯或甲氧基乙酸甲酯。

8.根据权利要求1-7任一项所述的方法，其特征在于，步骤2）不对称酯化反应中，4-氯-3-羟基丁酸乙酯与固定化脂肪酶的质量比为1:2～4:1，与酰基供体的摩尔比为1:5～2:1。

9.根据权利要求1-8任一项所述的方法，其特征在于，步骤2）中不对称酯化反应的温度为0℃～40℃；反应时间为5h～48h。

10.根据权利要求1-9任一项所述的方法，其特征在于，步骤3）中(R)-4-氯-3-羟基丁酸乙酯酯化物与三甲胺缩合的烷基化反应温度为50℃～100℃，反应时间为2～8h；三甲胺与(R)-4-氯-3-羟基丁酸乙酯酯化物的摩尔比为1:1～5:1；所述的水解反应的反应时间为2～10h。